聚氨酯的应用
聚氨酯的隔热、隔音和弹性是所有合成材料中最优异的，其它材料无法比拟。同时其耐磨性、耐油性和耐水性都极为优异。物性范围宽，可加工性好，可以根据不同物性要求灵活设计出各种高分子结构，而且还可以现场加工成型。
聚氨酯品种众多，性能变化无穷，是一种多用途产品。聚氨酯可以从中间分为原料和下游制品两部分。用于合成聚氨酯的原料主要是异氰酸酯和多元醇，其中异氰酸酯有20多种：MDI、TDI、HDI、IPDI；还有NDI、XDI等等，其中最主要的是MDI和TDI，这两种的用量占总用量的95％以上；多元醇也有20多种：PPG、PTMEG、PEG、聚酯多元醇、聚合物多元醇、聚己内酯多元醇等。通过不同的原料配比，分子设计，可以生产不同性能、不同状况的聚氨酯制品。如软质、硬质、半硬质泡沫塑料、弹性体、涂料、合成革、纤维、胶粘剂、透湿防水材料、弹性铺装材料、运动设备、鞋底材料、医疗器械材料等等。聚氨酯材料给人类生活带来了便利和舒服。
1. 聚氨酯在建材方面的应用
聚氨酯是一种重要的建筑材料。国外建筑的保温和防水都是以聚氨酯为主的，包括屋顶、墙体内外保温、窗户的密封保温等等。同时聚氨酯胶粘剂是替代脲醛胶生产无醛板材的最优材料。聚氨酯板材从2003年开始在我国的工业建筑上广泛使用，但在民用建筑上的使用才刚刚开始，中国发展节能经济、环保经济，聚氨酯材料将可大显身手。
1.1 聚氨酯硬泡良好的防火耐温性能
虽然聚氨酯硬泡是聚合物，但它是热固性材料，在燃烧中呈现惰性，不会产生熔融的燃烧性火焰滴落物，而是将形成一个焦化的保护层，这一特性有效抑制了熔融导致火势蔓延的危险。同时，聚氨酯硬泡能够抵抗飞溅的火星和辐射热，它还可以阻止氧气进入板材、或墙体保温层内部与泡沫塑料芯材接触，因而不会引起芯材的直接燃烧，能够保证建筑的完整性。同时通过调整配方，聚氨酯硬泡材料完全可以满足建筑保温材料较高的防火性能要求。
聚苯乙烯泡沫（EPS或XPS）是热塑性材料，在火灾发生时，会首先软化变形，然后伴随着燃烧熔化收缩，并会有灼热的液体滴落或流淌。燃烧到一定程度后，整个保温结构系统将会倒塌。
1.2 聚氨酯涂料(包括溶剂)
我国聚氨酯涂料是从60年代中期发展起来的,现年产量已达2.6万吨,其产量占涂料总比例的2.43%。目前国内主要生产非反应型聚氨酯醇酸漆等涂料,而反应型涂料产量较低,今后应加快反应型涂料的研制与开发,使我国聚氨酯涂料更合理地发展。1999年我国聚氨酯涂料年表观消费量为2.6万—3万吨,而目前国内的年需求量已接近6.6万—7万吨。上海翔雄科技公司开发了一种水性聚氨酯树脂。该产品具有优越的不变黄性、耐水性,适合于各种纤维加工,各种水性树脂可与之以任意比例稀释而相容,可用于涂花、印花用浆料,可添加于水性涂料,防止涂层的开裂,增加光泽及润滑感,用于真皮和PU革的光亮剂、防雨布、伞面的涂层等。
1.3 聚氨酯漆即聚氨基甲酸酯漆
随着人们对生活质量的要求愈来愈高,房屋装饰己日渐普及,对聚氨酯漆的需求正迅猛增加。
2. 聚氨酯在家电中的应用
各种家用电器的保温普遍采用聚氨酯硬泡保温层。如冰箱、消毒碗柜、太阳能热水器等。冰箱在开始生产的初期采用过玻璃棉、聚苯等材料，但保温效果太差，质量很低，目前全世界的冰箱冰柜都采用聚氨酯保温材料，质量比以前大幅提高，耗能也大幅降低。2000年, 聚氨
醋在家具上的消费量是544百万磅, 比1998年报道的515百万磅增长了5.6%, 软泡在家庭家具中的应用最大为94%。商用家具在家具工业用软泡的比例是90%。在这一方面, 增长缓慢的现象与家具销售。调查还表明软泡在家具中每年的增长率为3.1%。这一调查是由聚氨醋工业联盟, 美国塑料委员会发起, 由Ducker Research执行。
3. 聚氨酯在交通方面的应用
各种交通工具的座椅、车体隔热层、仪表盘、内饰件、油漆，以及一些配件。据了解，越高档的汽车，其聚氨酯的用量越多，普通轿车的用量在5公斤左右，高档车则都在10公斤以上。
4. 制革、制鞋
聚氨酯合成革是人工皮革的主流产品，而且随着制革技术的进步，高档聚氨酯合成革的性能已经超越了真皮。聚氨酯鞋底材料以其轻质、耐磨、耐油、美观、舒适成为目前世界上普遍推崇的鞋底材料。
5. 纺织品中的应用
聚氨酯弹性纤维，也就是俗称的莱卡、氨纶。含量排在第三位，之后是日本。而经济相对比较落后的南美、非洲和中东排在最后。
5.1 普通合成革用纤维
纤维主要用于制造构成革体骨架的非织造布,如涤纶和锦纶纤维。有时为达到综合性能要求,同时使用几种纤维。无论选用何种纤维,都要求其化学结构稳定,在有机溶剂中不溶胀,更不能溶解。短纤维长度一般为38—65mm,纤度一般低于2旦。聚酯纤维又称涤纶( PET) ,强度高、模量大、稳定性好、干湿态下机械性能没有大的差异,应用范围很广,适合“耐用型”和“用即弃型”等加工工艺。聚酰胺纤维又称锦纶(PA) ,特点是强度高,耐磨性好,弹性回复性好。主要用于体育用品革、鞋材、抛光材料等高强、耐磨、高蓬松性产品。
5.2 海岛超细纤维
海岛超细纤维也称基质原纤型纤维,岛相组分为原纤结构,海相组分为连续结构[9]。海岛纤维通常采用溶出法进行开纤,因此海相组分多选用易被溶出处理的聚合物,如聚苯乙烯(PS)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚乙烯醇(PVA)等,常用的减量技术是苯减量和碱减量。海岛型超细纤维在PU合成革应用上分两大类:定岛型和不定岛型。
国内常用的定岛海岛纤维有PET/COPET、PA /COPET两种。前者具有成本低、牢度好和磨绒性好等优点,多用于制作高档家具用革,但减量和工艺重复性的控制难度较大;后者纤维手感柔软,有弹性,多用于高档运动鞋和休闲鞋鞋革。国内现在发展较多的是PET/COPET型。
不定岛海岛纤维是聚合物共混纺丝制得,国内主要是PA6 /LDPE型。纤维中岛的大小、数量、分布及其长度都存在随机性,溶剂萃取海相组分后纤维呈束状,线密度在0. 001—0. 010旦。
海岛超细纤维具有以下几个方面的特点：(1)单丝线密度小；固特异轮胎(2)比表面积大； (3)覆盖性、蓬松性、保暖性好；(4)具有显著的防水性、透气性和高吸附性；(5)弯曲刚度小；(6)织物手感柔软,泽柔,在触感和舒适性方面具有明显的优势。
定岛型和不定岛型海岛纤维各有优势。不定岛海岛纤维在运动鞋、劳动保护、体育用品等使用广泛;定岛型海岛纤维在服装、绒面、汽车革、装饰革等方面有优势。近几年发展都非常迅速,共同支撑国内高档人工革市场。
5.3 新型纤维
采用功能化纤维,如抗菌、调温、抗紫外线、阻燃、异形截面纤维及表面改性纤维,可以改善P
U合成革产品的卫生性能、抗寒保暖性、透气性和耐磨性等。高功能纤维一般都是通过高分子化合物改性、特殊异形截面化、超细纤维化、混纤化等手段制造而成。在合成革应用上,主要应发展以水溶性易降解切片做海结构的纤维,减少溶剂减量。另外还有超细纤维,如PET/PE (聚乙烯)、PTT(聚对苯二甲酸丙二醇酯)/PE, PA/PET/PE、PET/PVA等。
玻璃纤维涂层织物广泛使用橡胶类、树脂类的聚合物材料作为涂层剂。根据涂层剂的不同种类可制得性能各异的涂层制品，可广泛用于建筑、船舶、航空、电子、汽车等领域。根据实际应用中对涂层织物的要求，可选择的涂层剂有溶剂型、水溶型、无溶剂型，其中使用最多的是溶剂型。溶剂型涂层剂的溶剂用量较大，在涂层织物的加工过程中会产生大量有机挥发性气体（VOC，给涂布加工企业增加了昂贵的环保成本，否则会对员工的身体健康造成威胁。作为玻纤涂层织物领域加工企业，摒弃高污染高能耗型加工方式、寻求环保型涂层剂势在必行，无溶剂型、水溶型聚合物涂层剂等的研究开发刻不容缓。聚氨酯(PU)涂层材料在性能上有其独特之处，其主要具有耐磨、耐溶剂、耐低温（-30,℃以下）,防水透湿，具有优异弹性和柔软手感等特点，国际上有人把PU新产品称为80年代织物整理史上的一次伟大革命。对我国来说，发展PU涂层制品更可以改变产品的传统格局和结构，是国内发展涂层的重点之一。
6. 水性PU涂层剂的应用
水性PU涂层剂包括水溶液、分散液和乳液三种水性分散态。以水为介质，体系中不含或含极少量的有机溶剂。它们三者之间的差别在于PU大分子粒子在水中的分散形态的不同，但并没有不可逾越的界限。例如：在用自乳化法制备离子型水性PU时，通过扩链剂类型、结构及用量、制备方法和聚合物分子量的不同来改变PU分子的骨架结构，可以制得从乳液到水溶性的多种水性PU产品。为了能得到稳定的PU水性树脂，且能使其涂层的性能接近溶剂型树脂，需要对亲水性基团含量、异氰酸酯含量、交联剂用量等因数对PU乳液及其涂层性能的影响进行评价。[10]
7. 重要的聚氨酯产品
7.1 聚氨酯弹性体
在聚氨醋工业中, 弹性体是专指介于橡胶与塑料之间的一类材料, 按加工方式可分为浇注型、热塑型和混炼型三类聚氨醋弹性体（PUE）。浇注型弹性性的产量约占PUE总量的一半以上,热塑型弹性体的产量逐年增加, 现已占有PUE总量的35%左右。混炼型弹性体仅占PUE总量
的10%以下, 其余是微孔弹性体及弹性纤维也称氨纶。由于聚氨酷弹性体加工方式的多样性和化学合成工艺的灵活性, 通过选择不同类别的聚合物多元醇、二异氰酸醋、扩链剂,再在一定范围内调整其配方, 就可以制得在结构和性能上各具特的各种牌号的制品。
据报道21世纪初, 全球聚氨酷弹性体的产量将突破100万大关, 2003年全球聚氨醋弹性体的消费量将超过100万t, 年平均增长率为5%左右。以亚太地区来看, 尽管前几年经济不景气, 但聚氨醋弹性体的年增率仍然超过世界其他地区的增长速度, 预计自1998一2003年间, 消费量的增长率大约为6.3%, 年消费量超过27万t；欧洲消费量的增长稍慢一些, 平均年增长率4.3%, 但该地区仍将主宰这个行业,到2003年总消费量将达成42.6万t美国的消费量比亚太地区高10%。
7.2 改性聚氨酯弹性体
以1,4亚苯基二异氰酸醋（PPDR）为基础的聚氨醋弹性体具有优良的动态机械性能, 尤其可贵的是在较高的温度下仍能保持这种优良性能。美国杜邦公司已将该产品商品化, 商品名为Hylene P, 该产品的许多重要性能甚至优于NDI为基的Vulkollan。与此同时Uniroyal,公司开发了PPDI的预聚物, 以其制得的CPUE具有优良的综合性能, 从而使浇注型聚氨酯弹性体的性能
达到了一个新的水平。
当前, 我们所合成的预聚体中都含有质量分数5%左右未参与反应的游离TDI, 这部分游离TDI, 挥发性较大, 在生产过程中对操作人员毒害很大。另外, 在制备弹性体制品时,游离TDI的会与扩链剂迅速反应, 致使反应物初期粘度明显升高, 直接影响到预聚体的使用和制品的性能。降低预聚体中游离的TDI途径,主要是控制物料配比、反应温度、加料方式及制备工艺。